1.3 Holon與Agent

針對Holon和Agent技術在工業上的研究開創了多智能體制造系統，以兩者為基礎的制造系統體系的提出和研究極大地促進了多智能體制造系統理論建設和實際應用。近20年來，關于工業環境下Holon和Agent的研究論文層出不窮，在很多中文文獻中，作者們直接將Holon或Agent代指為智能體。由于兩者的重要性，本節將簡要闡述制造系統中Holon和Agent的相關基礎知識，以便讀者更好地理解后續內容。

1.3.1 Holon及HMS

1.Holon的概念

Holon的概念是由哲學家亞瑟·科斯特勒（Arthur Koestler）提出的，目的是解釋生物和社會系統的發展。一方面，這些系統在進化過程中會形成自力更生的穩定中間形式；另一方面，在生活和組織系統中，很難區分“整體”和“部分”，因為幾乎所有事物都可以同時是一個整體或是某一個整體的一部分。這些發現促使科斯特勒提出了“Holon”一詞，該詞是希臘語“holos”（意為整體）和希臘語“on”（意為質子或中子）的組合，表示粒子或部分，“Holonic”是“Holon”的形容詞，在中文文獻中兩者通常直接音譯為“合弄”。

科斯特勒指出，在完全是自給自足的生物和社會組織中，不存在任何不相互作用的實體。每個可識別的組織單位，如動物中的單個細胞或社會中的家庭單位，都包含更多基本單位（血漿和細胞核，父母和兄弟姐妹），而同時又是更大組織單位的一部分（肌肉組織、社區）。合弄體系的優勢在于，它可以構建非常復雜的系統，這些系統仍然可以高效利用資源，對干擾（內部和外部）具有高度的適應能力，并且可以適應環境的變化。在合弄體系中，Holon可以動態創建和更改層次結構。此外，一個Holon可能同時參與多個層次結構。在某種意義上講，合弄體系是遞歸的，即一個Holon本身可能是一個完整的體系，又可能在一個合弄體系中充當自治和合作單位。

2.Holon制造系統

Suda在20世紀90年代初提出了Holon制造系統（HMS）的概念，以應對21世紀制造業的挑戰，具體包括：有效利用現有設備解決產品變更、升級，維護系統穩定；自主應對制造過程中出現的擾動。

HMS的提出是基于科斯特勒所設計的“Holon”概念。HMS由多個Holon組成，單個Holon 可以幫助上位機控制系統。每個 Holon 都可以自主選擇適合自己的參數，找到自己的策略并構建自己的結構，Holon 是自治的自力更生單位，具有一定程度的獨立性，可以在不征求上級主管部門指示的情況下處理突發事件；同時，Holon 又可以受到（多個）上級主管部門的監管和控制。第一個特性確保了Holon是穩定的形式，可以抵抗干擾。后一個特性表明它們是中間形式，可以為更大的整體提供適當的功能。

科斯特勒認為每個Holon都應該同時具備以下職責：作為系統某個單元的自治體；作為從屬于較高級別Holon的控制部分；與其他Holon協商共同作用于系統。HMS參考了最初的Holon理論，將制造系統視為由具有分布式控制的自主模塊（Holon）組成的系統，目的是在制造業中實現分布式智能，達到個體自治和整體協同的狀態，即使制造系統具有強穩定性，能夠應對制造系統的動態擾動，使系統能夠一直平穩地運行。

HMS 被認為具備面對內部動蕩和外部變化的適應性和靈活性，可以有效利用生產資源。參考最初的Holon哲學上的職責，HMS期望最終成型的制造系統架構應當結合集中控制分層控制以及變態分層控制的優點。Holon 既是獨立的個體，又能夠組成分層結構，也能夠在必要時形成變態分層結構。

以下是工業環境下關于Holon以及HMS的一些基本詞條及其含義，多出現于外文文獻。

● Holon 是制造系統的自主和協作組成部分，用于轉換、運輸、存儲、驗證信息和物理對象。Holon通常由信息處理部分和物理部分組成。

● Autonomy，即自治，實體創建和控制自己的計劃或策略的執行的能力。

● Cooperation，即協作，一組實體制定相互接受的計劃并執行這些計劃的過程。

● Holarchy是由多個Holon組成的系統，可以依靠Holon之間的協助達成某一目標。Holarchy定義了Holon之間協作的基本規則，同時限制了個體完全自治而導致的獨立于系統之外。

● HMS。通過設計Holon和Holarchy可以進行全部生產活動的整合，包括產品的預訂和設計、訂單生產和營銷，最終形成的一套制造系統就是HMS，用以實現智能制造。

用于生產過程的制造控制系統應當由軟件模塊以及制造環境的不同物理元素組成，包括生產資源、產品、客戶工單等。通過適當的通信網絡可以將軟件模塊和對應的物理實體綁定，這就形成了一個Holon。每一個Holon都能夠推理、做決策以及和其他Holon交流。軟件模塊的數量和類型，以及該軟件部分與物理實體的互連方式，區分了不同的Holon結構。

第一套具體的Holon結構是由Christensen在1994年提出的，如圖1-4所示。它由兩個基本模塊組成：物理實體處理模塊和信息處理模塊。其中物理實體處理模塊是可選的，一些種類的Holon并沒有對應的物理實體，如一些論文中提到的訂單Holon、計劃Holon、調度Holon等。物理實體處理模塊分為兩部分：物理實體及對應的行為；操作物理實體的控制器部分（如 NC、CNC、DNC、PLC）。信息處理模塊由三部分組成：Holon 內核，負責Holon的推理能力和決策制定；Holon接口，用于與其他Holon進行通信和交互；人機交互，用于人的輸入（操作命令）和輸出（狀態監視）數據。

3.典型的HMS架構

目前最為典型和著名的 HMS 架構是由 Van Brussel 等人在 1998 年提出的 PROSA（Product，Resource，Order，Staff Architecture，產品—資源—訂單—輔助體系）架構，后續的HMS架構基本上都是以PROSA為藍本進行升級改造的，較為知名的有ADACOR架構、和MetaMorph架構等。ADACOR架構由Leitao和Restivo在2006年提出，在PROSA的基礎上增加了監督性Holon，用以協調和優化系統整體性能；MetaMorph架構由Maturana和Balasubramanian 等人在 21 世紀初提出，是一種整體控制架構，其基礎是通過一組作為中央決策中心的中介機構進行控制。MetaMorph 架構一直是某些工業興趣的焦點，并促使了IEC 61499標準的制定。下面介紹PROSA架構，其他HMS架構基本由其衍生而出。

PROSA的核心由三種類型的基本Holon組成：產品Holon（Product Holon，PH）、資源Holon（Resource Holon，RH）和訂單Holon（Order Holon，OH），其結構如圖1-5所示。PH 包含產品制造過程，即通過獲得足夠的質量來確保其制造所必需的知識。它充當 HMS其他功能的信息服務器，但不包含產品狀態。RH包含一個物理部分（即生產設備）和一個信息處理部分，該部分對設備進行訂購并包含資源分配方法。OH 代表生產系統中的一項任務，它負責在期限內完成分配的工作，它控制實際產品、產品狀態模型，并管理與工作相關的物流信息處理。

與生產相關的知識管理是這三種類型的Holon之間相互作用的結果。PH和RH交互作用提供了過程知識：資源，容量，可達到的質量和可能的結果的執行方法。PH和OH相互作用提供了生產知識：批次說明（要交付的數量、產品參考、報價文件等）。RH和OH交互作用提供了執行過程的知識：對資源上的過程執行進行跟蹤、監視進度和過程中斷等。PROSA還設想使用輔助Holon（Staff Holon，SH）來支持基本Holon執行任務，解決阻塞情況或尋求優化的可能性。輔助Holon沒有任何決策權，但是可以根據基本Holon傳遞給它們的數據提出總體解決方案，以解決問題，這些基本Holon仍然負責最終決策。輔助Holon的使用仍然非常接近分層結構，以集中方式詳細闡述了解決方案的建議。

4.從Holon到Agent

HMS從理論上搭建了一套完善的多智能體制造系統結構，用以應對21世紀制造環境帶來的挑戰。然而，技術實現手段的缺乏限制了 Holon 系統的進一步發展。Holon 體系一直缺乏一套獨立的程序開發框架，即研究人員沒有成熟的手段直接構建單個Holon的程序。

在這種情況下，有完善開發體系、開發框架以及被各種程序語言支持的Agent技術被引入了Holon 研究體系，成為很多研究人員開發Holon 程序的首選。然而，Agent技術不僅是作為Holon體系的實現手段存在，圍繞Agent技術，一套獨立的面向制造系統的研究體系被建立了起來，并快速被制造領域的專家們所接受。在大多數情況下，中國的學者直接將Agent解釋為“智能體”，多Agent制造系統（MAMS）在多數情況下也直接被翻譯為“多智能體制造系統”。

1.3.2 Agent及MAMS

1.Agent的概念

目前，學者對Agent系統理論沒有統一的定義，其研究算法和相關概念基本都來源于人工智能學科。Franklin和Graesser把Agent稱為能感知環境并對環境做出反應的智能體，與工業領域最為契合。各 Agent 分別建立各自的事件流程，并可以影響要感知的信息。Wooldridge和Jennings提到Agent應具有自主性、反應性、主動性和社會性4個基本特征。在人工智能領域中，Agent 能夠感知身體內部的運行狀態和所處環境的變化信息，并具有推斷和決策功能的行為實體，各 Agent 之間通過信息交互，改進自身決策和調控能力，完成求解問題。單 Agent 的研究主要集中在認知和模擬人類的智能行為，如計算能力、記憶能力和學習能力等。

一般來說，可以將Agent看成作用于特定環境的一段程序。它能夠感知周圍環境、自治運行。Agent 的最基本特性包括反應性、自主性、面向目標性和針對環境性，可以將其看成一個黑箱，Agent 能夠獲取環境信息，分析信息并做出符合自身規則的解釋，并根據解釋做出符合當前環境的動作選擇。Agent基本結構如圖1-6所示。

隨著研究的深入，Agent 結構也在發生變化，其中認知型和反應型是目前兩種被使用得較為廣泛的主流結構，如圖1-7所示。圖1-7（a）給出了認知型Agent結構。與基本結構相比，在接受外部信息后，認知型 Agent 會根據內部狀態進行信息融合，產生修改當前狀態的描述符，并在知識庫的支持下制定計劃。圖1-7（b）給出了反應型Agent結構。此類型中沒有實際的模型和規劃，主要通過設置簡單的行為模式，依靠外部環境刺激做出反應，與認知型Agent結構類似也需要知識庫支持。擁有知識庫支持也是目前Agent結構共有的特征。需要注意的是，應用于具體工程的 Agent 還需要考慮應用對象，本書主要針對柔性離散型作業制造車間，其中面向設備實體的Agent是系統的主要組成部分。

2.多Agent制造系統

多Agent系統（Muti-Agent System，MAS）是多個Agent組成的集合，各個Agent之間是松散耦合的關系。多Agent系統的研究主要集中在各Agent之間智能行為的協調，產生相應的行為，解決相關問題，實現共同的全局目標。在求解復雜問題的過程中，可以將復雜的系統分為多個具有一定功能的Agent個體，這些Agent個體通過某種規則或結構獨立開展并行運算，然后進行信息交互和協調控制，提高整個復雜系統的信息處理能力。

在多Agent系統中，各Agent通過相互通信來交流合作，并組成不同的體系結構，通過一定的控制方式進行有效組合，組合的目的是將多 Agent 的整體目標分解到各個 Agent個體上，實現多Agent系統的協調控制。

多 Agent 系統中，因各 Agent 自身存在目標不同、信息不完整或功能不同，各 Agent的目標需要多 Agent 之間建立有效的協商機制，相互協調配合共同完成復雜任務，使系統的性能達到最優。在當前的先進制造系統中，自動化設備越來越智能，通信網絡技術越來越成熟等，這些因素都為 Agent 在制造系統中的應用提供了條件保障。目前，現代制造系統一般由加工設備、檢測設備、自動導引裝置（Automated Guided Vehicle，AGV）等物理設備構成，這些不同的物理構成及其邏輯關系是典型的分布式系統，可以把這些物理設備看成是Agent，因此可以把現代制造系統看成是由許多自治的Agent之間通過協作所構成的復雜系統。這種運用多 Agent 思想的智能制造系統組織模式就是多 Agent 制造系統，即MAMS。在MAMS中，每一個Agent都具有自治特性，多Agent之間可以通過一定的機制進行交流協商，可以在復雜動態的制造環境中高效地完成各種目標或任務。MAMS在發揮單個Agent自治特性的同時，多個Agent通過協同合作，充分發揮群體的優勢，使整個MAMS的性能得以顯現。

現代制造系統由其內部的物理實體（生產設備、立體化倉庫、機械手、AGV小車等）和邏輯構成（生產任務、訂單等）組成，每個物理實體和邏輯構成均可看成單個 Agent。因此，可以把制造系統看成是一個由多個 Agent 組成的復雜系統，該系統是典型的分布式系統，Agent之間通過相互協調來應對內外界環境的變化。本書把MAS思想應用于制造系統的組織模式過程中。

Agent 是按照特定的方式進行封裝并可以映射生產制造車間的實體，多個 Agent 之間構成松耦的組織結構，為車間控制系統的開發奠定基礎。目前，制造系統按控制結構可分為集中式控制結構、層次式控制結構、異構式控制結構以及混合式控制結構四種，如圖1-8所示。

（1）集中式控制結構是由一個中央控制單元負責整個制造系統的控制決策的一種控制架構。顯然，集中式控制結構下中央控制單元擁有制造系統的全部信息，也容易產生全局最優的決策控制。但是集中式控制結構的缺點也是顯而易見的。首先，中央控制單元的職責過重，降低了系統運行效率和可靠性。其次，系統對動態變化缺乏良好的響應性。最后，系統中任意單元的變動都會引發整個控制系統的變更。因此，集中式控制結構已逐步被主流制造系統淘汰。

（2）層次式控制結構是依據制造系統不同模塊的控制范圍以及包容性關系逐層劃分的一種控制架構。層次式控制結構中，上層控制單元生成決策對其所屬的下一層子系統進行控制。同層之間、非相鄰層之間無法直接通信。層次式控制結構分散了控制職責，降低了控制單元的設計復雜度，是當前應用最為廣泛的一種控制結構。但是對于單個控制單元來說，采用的仍是集中式控制結構，因此層次式控制結構也有著同集中式控制結構相同的缺陷：結構剛度過高、控制單元設計難度大、缺乏柔性。

（3）異構式控制結構（heterarchical framework）可以視作一系列具有自治性的設備單元的集合。異構式控制結構中沒有層次劃分和集中控制，所有的決策來自設備單元之間的交互合作。異構式控制結構具有高度柔性，能夠便于制造系統添加、刪除、更改遵循同一協議的設備單元；同時，其也具有良好的穩健性，能夠便于制造系統及時處理未預見的擾動事件。異構式控制結構通常以 MAS 的形式實現，現已成為物聯制造、信息物理系統等智能制造系統的主要控制結構。但是異構式控制結構也存在著一定缺陷，如設備單元決策與系統整體運行目標缺乏協調，系統運行狀態難以預測等。

（4）混合式控制結構綜合了層次式和異構式控制結構的優點，既具有上層Agent的全局觀念，又有分布式Agent協商的優點。

MAMS通過強調系統決策實體的智能化、自治性及決策能力和職責的分布與協調，實現可靠、靈活、開放和自組織的制造控制。為了使制造系統的控制系統具有柔性，當不確定性因素（緊急訂單、機床故障、工藝路線變更等）發生時，控制系統可以通過調整來應對該擾動。以往的研究表明，層次式控制結構和異構式控制結構都很難實現控制系統柔性的目標，雖然基于知識的方法和最優化方法在層次式結構中得到廣泛應用，由于其忽略了制造系統實際擾動的不確定性和復雜性等，致使層次式不能建立精確的模型，在現代分布式制造系統中不太被使用。此外，由于異構式控制結構具有一定的柔性，但因其只能在單元控制器內進行信息交互，缺少全局性的觀點。Van Brussel等人曾提到，若實體完全獨立則影響異構式結構中對全局性的獲取，致使集中式控制或調度變得困難。

3.基于多Agent的制造系統實現方法

如何實現多Agent系統，使其能夠真正使用于制造系統依舊是目前研究的主要難點。目前研究者們采用的典型的多Agent制造系統模型如圖1-9所示。在這種模型中，車間層所有設備的控制器和傳感裝置都默認安裝了統一的數據交互接口，如 OPC UA 或MTConnect，研究人員默認能從車間層提取研究中所要求的數據，并通過相應的數據處理，將從底層設備所提取的數據轉變為系統利用的信息包或知識體。在服務端，設計人員建立了對應于車間層實體的Agent程序，每個Agent程序即一個線程，依靠從車間層提取的信息驅動程序運作。當 Agent 程序完成決策后，同樣依靠統一的數據交換接口將行為指令發送給對應的實體設備。

從車間層的信息流向來看，這種多Agent制造系統對車間層的控制還是一種上下層的控制關系，隨著車間層規模擴大，數據量增多，不利于實現真正意義上的分布式控制和決策。從系統層次來設計多 Agent 制造系統時，一般將制造系統中的物料流與信息流等資源表示成不同的 Agent 結構，如機床、物流設備、機械手以及訂單信息或工藝規程等，然后通過Agent協議及網絡設施將獨立的Agent連接成多Agent制造系統。

圖1-10所示為基于Agent思想的多Agent制造系統架構。當系統中有新訂單任務進入時，任務Agent被訂單Agent激活，并通過分布式的網絡向各設備Agent發送加工信息，設備Agent根據自己的加工能力決定是否接受任務。最終，通過多個Agent的自治與協調共同完成各種生產任務。

多Agent制造系統中，單個Agent具有自治特性，Agent之間通過一定協商機制進行信息交流與合作，共同完成生產任務。MAMS通過一定的協商機制把多個Agent關聯起來，既可以發揮Agent的自治特性，又可以充分利用Agent群體的資源和優勢來彌補個體的局限性，進而使得整個制造系統性能和效率遠遠大于單個Agent。

由于制造系統研究中Agent的智能性以及研究的廣泛性，本書后續內容中出現的Agent在沒有特殊說明的情況下，都可以認為是制造系統中智能體的意思。